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电容降压式LED景观照明灯驱动方案
在国内外倡导绿色环保及节能的背景下,伴随着近年来LED光效、寿命及光色上的明显进步,半导体发光二极管(LED)因具有节能、寿命长、驱动简单、灯色种类多等优点已广泛应用于景观照明、数字化交通信息显示、疏导标识、室外全彩显示屏及照度要求不高的室内外照明等领域。

针对LED在城市亮化中的应用现状,笔者利用电力电子整流与恒流技术设计制作了一款LED景观照明灯,它具有成本低、工作可靠、寿命长、控制简单等特点,并可根据实际需求进行功能扩展。

1 小功率LED驱动方案

目前小功率LED产品广泛采用两种驱动电路形式,即恒流驱动和稳压驱动。前者电路输出的电流是恒定的,输出电压随负载的变化而变化;后者输出电压是固定的,输出电流随负载(LED数目)的增减而变化。根据电源输入与输出电路形式也可分为隔离驱动和非隔离驱动,前者以开关电源为代表,而后者主要包括电容降压式和恒流/恒压IC.其相关性能、功耗、成本以及主要应用如表1所示。

2 LED景观照明灯电路设计

LED景观照明灯就是实现RGBLED的交替点亮以及渐变控制,电路设计如图1所示。该电路采用3181集成芯片作为控制器,其相关功能及引脚参看文献[4],共控制36只小功率LED,采用RGB三基色LED各12只,驱动方案采用电容降压式。

其中,C1、C5为并联的两个相同的电容,起降压及限流作用;由4个lN4007组成的整流桥对输入交流电压进行整流;滤波电容C4用于滤除整流输出电压中的交流成分,使电压更为平滑;肖特基二极管VD5稳定a点的电压;VD6为控制IC提供稳定的电压;R3、R4为限流电阻;R2、C2为控制IC提供交流输入频率,为集成IC提供交流采样频率;三极管VT1、VT2、VT3用于控制LED支路的电流变化。

2.1 降压电容值的选择

通过降压电容C1、C5(后文中用C表示)向负载提供的电流I0,实际上就是流过充放电电流lc.当负载电流,I0小于c的充放电电流时,多的电流就会流过滤波电容C4及其他支路。

f-AC频率。

对于负载所消耗的60mA的电流I0至少需要降压电容值为0.87uF,因图l中增加高压稳压二极管降压,而二极管工作时也需要消耗较大的电流,另外为保证电容C可靠工作,其耐压选择应大于2倍的电源电压,因此应选择两个684/630V电容并联工作。

2.2 整流及滤波电路

根据文献[7],整流桥上单个二极管所承受的电压最大值URM=√2Ui(Ui为输入电压的有效值)=318.4V,因此选用常用的整流二极管lN4007(URM=l000V,IF=1A)。

为使输出端得到平滑的负载电压,一般取RLC≥(3~5)T/2,其中RL为负载阻抗,T为输入信号周期(0.02s),可得C≥24.38uF.

原则上,电容值取的越大,输出电压越平滑,其纹波值越小。但是随着电容容量的增大,一般其体积也随之增大,考虑到该电路板面积,实取47uF/160V的电解电容。

2.3 系统电源电路设计

因电路中需要两组电压,一组用于驱动三串LED,一组为集成IC提供工作电源(5V)。VD5的稳压值直接与所驱动单串LED的个数有关,前文中要求驱动单串12只LED,并在此假定红光LED正向压降的Uf为2V,而绿光、蓝光为3.2V进行计算。图l中a点电压Ua为ΣU+UR,其中ΣU为38.4V,UR为平衡电阻上的压降。因此,稳压二极管VD5的稳压值应大于38.4V.考虑到电压裕量及元件获得的成本和方便性,VD5选用50V/lW的高压稳压二极管,VD6选用5.1V/0.5W稳压二极管。并根据文献[1]选择可限流电阻R3为62Ω/2W,见、R5分别为4.7kΩ和22kΩ。

为使各色LED亮度一致,需要在各个LED串上串接平衡电阻,其中与蓝、绿LED串接的平衡电阻R14、R12值为UR/I,(其中UR=11.6V;I为流过支路LED的电流,取为20mA),则R=580Ω,实取平衡电阻R14=R12=680Ω,同理取R9=1.4kΩ。

2.4 系统电路成本估算

为进一步阐明该电路成本上的优势,笔者依据元件供应商的价格报表,将电路中主要元件类型及价格列于表2。

从表2中可见,制作整个电源所需成本约5.3元;而如果采用其他方案,仅小功率开关电源价格为7~15元。

3 试验与测试

以LED地埋灯(一种景观照明灯饰)为例进行实验,将上述电路焊接在单面的万用焊接板上进行测试。连接全部电路,36颗LED灯珠插装焊接在直径112mm的圆盘灯板上,驱动电路贴底安装在地埋灯底端,并在所有缝隙处填上环氧灌封胶(防水、防潮)。接通AC电源,各色LED串按事先设定进行颜色的交替变化,盖上塑料封盖,可看到由RGB三基色合成的七彩颜色变化,基本满足设计需求。

采用湖州升谱SPL2000电光源光色电综合分析系统对电路的相关参数进行了测试,结果如下:

输入电压UAC为220V时,总电流为53mA,电路实耗功率为1.4w,功率因数为0.385.

为进一步验证电路工作可靠性,笔者对该产品做了l000h的电老化试验,结果表明该电路能稳定、可靠地为LED提供驱动。

4 结语

目前,半导体发光二极管(LED)虽然在常规照明技术上有许多问题亟待解决,如亮度不高,散热问题凸显,白光寿命较低等,但在对亮度要求不高的景观照明中已经获得广泛应用。

本文设计制作了城市亮化中用于景观照明的LED驱动电路,经长期的电老化试验证实,该电路结构简单、工作可靠、成本低廉,特别适合于目前LED灯珠占据总成本较大比重的背景下的低端市场应用。也可根据实际需求调整每串LED灯珠数,适用性较广。每串LED灯珠数可以通过改变高压稳压管稳压值在一定范围内任意调整,也可以不用稳压管稳压,而采用功率电阻代替法使LED灯串与集成电路不共地,但同时需在PCB板设计前期考虑实物电路的灵活性和可扩展性。

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